《冶金过程检测与控制》第一篇第二章温度检测本篇主要介绍温标、测温方法、以及本篇主要介绍温标、测温方法、以及各种常见温度检测技术各种常见温度检测技术第2章温度检测•温标及测温方法•膨胀式温度计•热电偶传感器•电阻式温度传感器•辐射式温度传感器•光纤传感器•薄膜热传感器•集成温度传感器•衡量温度的标准尺度譬如规定什么样的温度是150℃，什么样的温度是200℃•国际普遍使用的温标有四种：热力学温标、国际实用温标、摄氏温标、华氏温标一、温标温标三要素：温度计、固定点、内插方程第一节温标及温度测量方法1.摄氏温标1740年瑞典人摄尔修斯(Celsius)定义v水银体膨胀是线性；v标准大气压下纯水的冰点是摄氏零度，沸点为100度，v而将汞柱在这两点间等分为100格，每等分格为摄氏1度，标记为℃2.华氏温标定义•1714年德国人华伦海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃棒水银温度计规定水的沸点为212度，氯化铵与冰的混合物为0度(纯水冰点32度)，中间等分为212份，每一份为1度记作℉称为华氏温标3.热力学温标选用水的三相点温度为273.16，定义水的三相点温度的1273.16为1度，单位为K，这样就建立了热力学温标。
根据定义，摄氏度的大小等于开尔文国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度(符号为T90)和国际摄氏温度(符号为t90)国际实用温标指出，热力学温度为基本物理量，规定水的三相点温度为273.16，单位为k，1k的大小为水的三相点热力学温度的1273.16，由于摄氏温标将冰点定义为0℃，而冰点比水的三相点低0.01k，那么冰点温度为273.15k，即单位℃4.国际温标ITS-90l1．接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度•优点：直观、可靠•缺点：①存在负载效应，②受到测量条件的限制，不能充分接触，使检测元件温度与被测对象温度不一致③热量传递需要一定时间造成测温滞后现象动态误差）l2．非接触法测温：检测部分与被测对象不直接接触，不破坏原有温度场通常用来测量1000℃以上的移动、旋转、或反映迅速的高温物体二、温度测量方法液体膨胀式固体膨胀式压力式温度计膨胀式温度计测温热电偶测温热电阻测温接触法非接触法测温方法温度测量方法的分类10氢氧三相点沸点54.36190.188-218.798-182.962水三相点沸点273.16373.150.01100.0锌凝固点692.73419.58银凝固点1235.08961.93金凝固点1337.581064.43物质三相点平衡状态温度T68KT68℃13.817.04220.827.102-259.31-256.108-252.87-246.048沸点2576atm沸点沸点国际实用温标（IPTS-68）的固定点11测温方式温度计名称简单原理及常用测温范围优点缺点接触式热膨胀玻璃温度计液体受热时体积膨胀－100℃～600℃价廉、精度较高、稳定性好易破损，只能安装在易观察的地方双金属温度计金属受热时线性膨胀－50℃～600℃示值清楚、机械强度较好精度较低压力式温度计温包内的气体或液体因受热而改变压力－50℃～600℃价廉、最易就地集中测量毛细管机械强度差，损坏后不易修复热电阻热电阻温度计导体或半导体的电阻值随温度而改变－200℃～600℃测量准确，可用于低温或低温差测量和热电偶相比，维护工作量大．振动场合容易损坏热电势热电偶温度计两种不同金属导体接点受热产生热电势－50℃～1600℃测量准确和热电阻相比安装维护方便不易损坏，需要补偿导线，安装费用较高12测温方式温度计名称简单原理及常用测温范围优点缺点非接触式热辐射光学高温计加热体的亮度随温度高低而变化700℃～3200℃测温范围广，携带使用方便．价格便宜只能目测，必须熟练才能测得比较准确的数据光电高温计加热体的颜色随温度高低而变化50℃～2000℃反应速度快．测量较准确构造复杂，价格高，读数麻烦辐射高温计加热体的辐射能量随温度高低而变化50℃～2000℃反应速度快误差较大131．超高温与超低温传感器，如+3000℃以上和–250℃以下的温度传感器。
2．提高温度传感器的精度和可靠性，特别是测量速度3．研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器5．发展适应特殊测温要求的温度传感器6．发展数字化、集成化、网络化的温度传感器温度传感器的主要发展方向第二节膨胀式温度计测温敏感元件在受热后尺寸或体积发生变化，采取一些简便方法，测出它的尺寸或体积变化的大小分类：液体膨胀式、固体膨胀式、压力式（一）工作原理w利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理w组成：液体存储器、毛细管、标尺、安全泡四部分w液体可为：水银、酒精、甲苯等w当温度超过300℃时，应采用硅硼玻璃，500℃以上要采用石英玻璃一.玻璃管液体温度计4（二）结构与类型§棒式玻璃温度计§内标式玻璃温度计§电接点式温度计利用水银的热胀冷缩和水银的导电性功能:(1）指示温度，（2）恒温自动控制玻璃管液体温度计使用注意事项•温度计与被测介质应接触足够长的时间，以使温度计与被测介质达到热平衡•读数时，视线应与标尽垂直，并与液柱于同一水平面上，手持温度计顶端的小耳环，不可触摸标尺二.固体膨胀式温度计（一）类型及工作原理利用固体受热膨胀原理制成的温度计1.杆式温度计利用固体（一般采用膨胀系数较大的金属）材料构成2双金属温度计•它的感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固地结合在一起制成。
l可作温度继电控制、极值温度控制信号固定端自由端电烤箱和电火锅上的温度调节与控制：三.压力式温度计（一）工作原理与结构形式1原理压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压力随温度变化来测温；2分类§按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸发式§按功能分：指示式、记录式、报警式和温度调节式等3组成温包、毛细管、感压元件（弹簧管、波纹管等）•（二）使用方法与特点•对毛细管采取保护措施，防止损坏；注意安装方式与位置对精度的影响•特点：结构简单，价格便宜，刻度清晰，防爆精度差，示值滞后时间长，毛细管易损坏23温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量第三节热电偶温度传感器★热电偶的工作原理★热电偶回路的性质★热电偶的常用材料与结构★冷端处理及补偿★热电偶的选择、安装使用和校验24热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500℃以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300℃，短期使用时可达1600℃，特殊材料制成的热电偶可以测量的温度范围为2000-3000℃。
特点：性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量应用：电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、烟气高温等都是采用热电偶测量的25两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应这种现象早在1821年首先由塞贝克（See－back）发现所以又称塞贝克效应热电偶原理图TT0AB一、热电偶的工作原理回路中所产生的电动势，叫热电势热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势热端冷端261.接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23JK；NA、NB——导体A、B在温度为T时的电子密度接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关27AeA(TTo)ToTeA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV℃。
2.温差电势温差电势原理图28由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(TT0)eB(TT0)AB3.回路总电势NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA、σB——导体A和B的汤姆逊系数29根据电磁场理论得结论(4点)：EAB(TT0)=EAB(T)-EAB(T0)=f(T)-C=g(T)由于NA、NB是温度的单值函数在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成分度表，以供备查由公式可得：EAB(TT0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T)-EAB(0)-[EAB(T)-EAB(T0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)热电偶的热电势，等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差30导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理只有当热电偶两端温度不同热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。
热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NANB)=0，也即EAB(T，T0)=031对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、…、Tn，冷端温度为零度的热电势其热电势为E=EAB（T1）+EBC（T2）+…+ENA（Tn）由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极二、热电偶回路的性质1.均质导体定律32E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT2.中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则33两点结论：l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2CT0EAB（T1T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b)T0T0EAB(T1T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三种材料接入热电偶回路图34思考•中间导体定律非常重要，否则无法使用热电偶！•为了测量热电势，必须断开热电偶闭合回路，接入电表及其它电路。
有影响吗？ET0T0TET0T1T1T35ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示36EAB（TT0）=EAC（TT0）+ECB（TT0）T0TEBA(TT0)BAT0TEAC(TT0)ACT0TECB(TT0)CB2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：373.中间温度定律如果不同的两种导体材料组成热电偶回路其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时则其热电势为EAB(T1T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB。